Неравновесный СВЧ разряд в волновых пучках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

ВИХАРЕВ Анатолий Леонтьевич НЕРАВНОВЕСНЫЙ СВЧ РАЗРЯД В ВОЛНОВЫХ ПУЧКАХ

01.04. 08 - физика и химия плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Нижний Новгород - 1992

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук член-корреспондент РАН ГУРЕВИЧ A.B.,

доктор физико-математических наук КОССЫЙ H.A.

доктор физико-математических наук ТРАХТЕНГЕРЦ В.Ю.

Ведущая организация:

Троипкий институт инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ J

Зашита состоится ' (Л~г и^лй^Л 1992 г.

в АЯ часов на заседании специализированного совета Д.003.38. 01 при Институте прикладной физики РАН (603600. г.Нижний Новгород, ул.Ульянова, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПФ РАН Автореферат разослан * Ш ' М-Ли9_1992 г.

Ученый секретарь п^Лллч.Г

спепиализяроьакиого совета

доктор физико-математических наук Ю.В.ЧУГУНОВ

. J ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

^¿чия/

Актуальность проблемы

Диссертация посвящена исследованиям самостоятельных сверхвы- • сокочастотных разрядов в волновых пучках.Развиваемое в ней направление исслодосаний связано с изучением динамики и структуры неравное -них плазменных образований, формируемых в газе ионизующим мощным СВЧ излучением волновых пучков. Эта новал область физики газового разряда естественным образом возникла из общего направления исследований дву; обширных i важных областей физики плазмы. Одна из них-это изучение нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного электромагнитного излучения в плазме. С точки зрения физики нелинейных процессов, представляемые результаты можно рассматривать как исследования мало изученного вида нелинейности в плазме- ионизационной нелинейности. Другая область - это физика газового разряда, в рамках которой исследование газоразрядных явлений в волновых СВЧ пучках являются совершенно новой по постановке задачей.

Изучение взаимодействия электромагнитного излучения п создаваемой в волновых пучках газоразрядной плазмой стало возможным благодаря успехам в последние десятилетия электроники больших мощностей. Разработка новых методов генерации когерентного электромагнитного излучения и создание мощных электронных СВЧ приборов всегда были неразрывно связаны с научными исследованиями, в которых применялась СВЧ энергия. Прикладные области использования СВЧ техники по мере ее совершенствования непрерывно расширяются. В начало техника генерации и излучения СВЧ пучков имела i посредственное применение в радиолокации и системах связи. На современном этапе успехи СВЧ электроники привели к созданию мощных и эффективных источников электромагнитного излучения сантим-трового и миллиметрового диапазонов: гиротронов, способных генерировать мега-ваттные мощности в течение сотен миллисекунд, и генераторов на релятивистских электронных пучках, позволивших освоить гигават-гный диапазон мощностей при длительностях импульсов от десятков до сотен наносекунд, и, тем самым, оказали влиян:иэ на такие приложения, как электронно-циклотронный нагрев плазмы а установках термоядерного синтеза и передача энергии направленными пучками электромагнитных волн. Предложенный в последнее время шазменно-факельный метод преобразования энергии СВЧ пучка' в энергию постоянного тока позволяет существенно повысить плотность

з

потока эь^ргии, передаваемую, например, от солнечных космических электрост |ций. Высокая импульсная мощность современных СВЧ генераторов делает возможным лабораторное исследование самостоятельных разрядов в волновых пу.,.ах и перспективным использование процессов взаимодействия электромагнитного излучении с газоразрядной плазк ,й в широкой облети практических применений, таких как, дальняя радиосвязь, радиояока1. л, распространение мощного электромагнитного излучения в атмосфере.

Изучение свободно локрпизованных СВЧ разрядов в солновых пучках стимулировано такие перспективами получения и.практического использования химически активной неравновесной плазмы с высокой степенью чистоты,- обусловленной 0|сутствием элек-оодов, Такой разряд, существующий во многих случаях только в неравновесном (неизотермическом) режиме. Представляет интерес для ряда важных прикладных проблем, таких как повышение энергоемкости рр^очей среды газовых пазе^в и плазмохимических реакторов, а также создание искус<. ■ ьенной ионизованной области (ИИО) в атмосфере Земли для ретрансляции и отражения радиоволн.

Привлекая внимание разнообразием и широтой областей поакти-ческого применения, СВЧ разряд е волновых пучхал представляет собой е то же время новый объект нелинейной физики. На его динамику и параметры плазмы существенное влияние оказывают нелинейные электродинамические процессы. Эти процессы самовоздействия СВЧ излучения в плазме (рефракция, поглощение и отражение электромагнитных волн) ограничивают рост электронной лавины при пробое газа на более низком уровне, чем критическая плотность, недостаточно»« для быстрого нагрева газа, и тем самым, во многих случаях сохраняют сильную неравновесность разрядной плазмы, а также определяю! формирование крупномасштабных (по сравнению с длиной электромагнитной во!|Ны) разрядных структур. При длительном вэаммодейств^ СВЧ излучения с создаваемой плазмой в ней развиваются ионизационные неустойчивости, приводящие к возникновению мелкомасштабны} разрядных структур. Многие вопросы, особенно относящиеся к нелинейным стадиям этих ионизационных неустойчивостей, до настоящем времени еще остаются мало изученными. Таким образом, изучени« динамики и структуры СВЧ разрядов в «олновых пучках привлекас-внимание также Богатством и разнообразием возможных физически: ситуаций.

В основу диссертации положены работы автора, лосвященны< экспериментальным исследованиям неравновесных С8Ч разрядов волновых пучках [1-46], выполненные м опубликованные в перио

1972-1991 гг. В диссертации анализируются результаты широкого набора экспериментов, в которых создавались разнообразные пространственные структуры волнового поля (в сфокусированном волновом пучке, а двух встречных пучках, в пересекающихся волновых пучках, в квазиоптическом двухзеркальном резонаторе), изменялись типы электромагнитных волн (Бегущие или стоячие), их поляризация, варьировались длительности С34 импульсов (от наносекундной длительности до сотен микросекунд), режимы СВЧ излучения (импульсно-периодине-ский или непрерывный), плотности потока СВЧ энергии и плотности различных газов.

Целью диссертации является: 1) исследование основных физических процессов, определяющих формирование структуры и динамику разряда, параметры и кинетику образующейся неравновесной плазмы (в различных режимах создания и поддержания разря i): 2) изучение этих процессов на различных стадиях развития разряда при варьировании экспериментальных условий; 3) сравнение ионизационных процессов, развивающихся в газах в двух различных физических ситуациях: в умеренном и сверхсильном СВЧ полях, в которых энергия >сципляторного движения электронов много меньше и много Больше ютемциала ионизации атомов; 4) анализ возможностей использования свободно локализованного СВЧ разряда для получения индуцирован-юго ультрафиолетового излучения.

Г'

Проведенные экспериментальные исследования позволили вырабо-ать, совместно с параллельно развивавшимися теоретическими ис-ледованиями, основные физические представления о газоразрядных влениях в волновых CBS пучках. Подробное' сопоставление результа-ов экспериментов с данными теоретических моделей проводится по оду изложения материала диссертации.

В ранее выполненных экспериментах СВЧ разряд в волновых лучах создавался, как правило, с помощью СВЧ импульсов малой дли-

ельности т s Ю-* с, позволявших исследовать фактически лишь ха-»

актеристики первичного пробоя, в котором многие важные нелиней-ые процессы еще не успевают развиться. Известные экспериментально исследования по шнуровым безэлектродным разрядам в резонаторе асались в основном термического режима поддержания разряда. Па-1ллельно развивающиеся экспериментальные исследования иницииро-шного СВЧ разряда в сфокусированном волновом пучке (зажигаемого помощью инициатора при инт ^нсивности СВЧ излучения ниже порога состоятельного пробоя) при высоких давлениях в области,„.где icTOTa соударений электронов больше частоты поля,и где на пврвд-1й план выступают вопросы динамики и нагрева газа, а не г эктро-

динамики плазмы, представляют по существу самостоятельное направление в физике газового разряда.

Научная новизна работы заключается е следующих основных положениях, которые и выносятся на защиту.

1. Пространственно - временная эволюция самостоятельных СВЧ разрядов а волновых пучках, создаваемых при умеренной амплитуде поля, в котором осцилляторная энергия электронов много меньше средней энергии электронов и потенциала ионизации атомов,' характеризуется несколькими последовательно «-меняющими друг друга стадиями: распространения волны пробоя; формирования крупномасштабных (по сравнению с длиной электромагнитной волны) однородны] плазменных структур, зависящих от геометрии области локализацж norm; дробления разряда с низкой электронной концентрацией на отдельные плазменные образования с повышенными значениями концентрации и размерами, Меньшими длины волны.

2. Динамика разряда в сходящемся волновом пучке определяете: процессами ионизацио tor самовоздействия электромагнитных волн плазме: рефракцией, поглощением и отражением волн, обуславливаю щими в широкой области параметров ограничение амплитуды лоля плазме. В зависимости от угла сходимости пучка и отношения часто ты столкновении электронов к круговой частоте лоля эти процесс ограничивают величину электронной концентрации на фронте волн пробоя на уровне меньше критической, определяют скорость раслрос транения волны пробоя и переход развития разряда на последующе стадии в квазистациснарное состояние или в режим ловторятцихс волн ионизации.

3. Существенное влияние на крупномасштабные структуры разр* да, локализованного, в лег".екамщихся волновых пучках, оказывае поляризация СВЧ излучения. В пучках ТЕ-во ■ \ структура разряда яс лнется многослойной. Ионизованные слои локализуются в интерферек ционных максимумах суммарного волнового попя. Плотность плазмы слоях меньше критической и зависит от угла пересечения лучко! Как показывает теоретический анализ и его сравнение с результат) ми экспериментов в ТЕ-пучках.электродинамические эффекты (отраям ние и поглощение волн) задает уровень нелинейного ограничения ni ля в плазме и тем саны., определяют величину электронной концен рации в зависимости от угла пересечения пучков.

В пучках ТМ-вопн структура разряда - однослойная с электро ной концентрацией близкой к критической. Наблюдаемое отличие ра ряда в ТМ-пучках объясняется отсутствием нулей поля, непостоянс

вон направления поля в области пересечения пучков и наличием пр

дольной (параллельной градиенту плотности) компоненты электрического поля.

В открытых резонансных системах плотность плазмы, локализованной в пучностях электрического поля, много меньше критической из-за снижения амплитуды поля, обусловленного изменением резонансной частоты и рассогласованием резонатора с СВЧ генератором.

Л. В явлениях mi комасштабного дробления разряда выделяются два принципиально различных случая: расслоение плазмы (в ограниченном диапазоне давлений) на слои, перпендикулярные электрическому полю волны, и образование нитей, параллельных полю, проявляющееся в области высоких давлений газа.Расслоение вдоль поля первоначально однородной плазмы с плотностью меньше критической на мелкомасштабные плазменные образования с повышенными значениями ' электронной концентрации связывается с развитием в плазме плаэ-менно-резонансной неустойчивости. Разбиение разряда на нити, параллельные электрическому полю.вызывается развитием ионизационно--neperревной неустойчивости. На ее нелинейной стадии происходит ограничение роста электронной концентрации в нитях на уровне, свидетельствующем об уменьшении поля в плазме. В области высоких давлений газа эффект усиления поля на мелкомасштабных плазменных образованиях приводит к удлинению плазменных нитей.

5. В разрядах, поддерживаемых непрерывным СВЧ излучением в

г\

открытых резонансных системах (в которых плотность плазмы много меньше критической), проявляются неустойчивости, развивающиеся благодаря образованию в плазме возбужденных частиц и радикалов. Проведенные исследования показали, что при, низких давлениях электроотрицательных газов переход разряда из диффузной в контрагиро-ванную форму, отличающуюся величиной плотчости плазмы, поддерживающего поля и характерного размера локализации плазмы, можно объяснить развитием в плазме "отлипательной" неустойчивости. Процессу сжатия способствует нелинейная диффузия электронов в много-компонентной плазме.

Другая (припипательная) неустойчивость приводит в ограниченной области параметров (поля и давления газа) к возникновению автоколебаний высокочастотного поля, поддерживающего разряд в указанных двух формах. В разряде в волновом пола припипательная неустойчивость не приводит к расслоению плазмы и образован' з страт.

6. Основные кинетически*, процессы, определяющие величины попей поддержания свободно локализованных разрядов в импупьснргле-эиодическом и непрерывном режимах СВЧ излучения,'зависят от плот--юсти молекулярных газов. Снижение пробойных полей с рост1 i час-

тоты повторения импульсов и снятие статистического разброса для момента зажигания разряда при низких частотах повторения объясняется наличием электронной концентрации, остающейся от предыдущих импульсов благодаря медленному рекомбинационному характеру распада воздушной ллазмы. При непрерывном излучении снижение полей поддержания ло сравнению с пробойными а (электроотрицательных газах) обусловлено в области низких давлений сменой механизма диффузии со свободной на амбиполярную.а при более высоких давлениях, уменьшением объемных потерь электронов за счет их отлипания от отрицательных ионов и увеличением частоту ионизации в результате нагрева газа.

7. При существенно высоком уровне интенсивности СВЧ излуче-кия в волновых вучк8х, в сильном или сверхсильном СВЧ полях, в которых энергия' осципляторного движения электронов больше или много больше потенциала ионизации атомов, формирование разряда сопровождается целий рядом новых эффектов, не наблюдающихся при пробое газа в полях мер.иной интенсивности и связанных с высокой скоростью ионизации молекул электронным ударом и малой наносекун-дной длительностью импульса, а также проявляющиеся за счет больших энергий электронов. В этих условиях на кинематику волны пробоя оказывает влияние конечное время распространения излучения, при низкой плотности начальных электронов реализуется режим пробоя с неперекрывающимися электронными лавинами, возникает насыщение зависимости частоты ионизации от амплитуды СВЧ поля. Из-за Больших поступательных энергий эиектронов, приобретаемых в СВ*-попе, процесс ионизации продолжается посла окончания СВЧ импульс? и приводит к образованию плотной плазмы с сильно надкритической концентрацией.

8.Одним из перспективных применений ■ амостоятельных СВЧ разрядов является накачка газовых лазеров на электронных перехода» атомов и молекул. Возбуждение активной среды разрядом в волновы; лучках позволяет перейти к Безэлектродным конструкциям лазеров, что снимает ограничения на величину подводимой СВЧ мощности, обеспечивает высокую удельную мощность накачки, длительную устойчивость разрядной плазмы, сохраняет чистоту лазерной смеси. В проведенных экспериментах при возбуждении азотного лазера разрядом создаваемым пол«м сходящейся цилиндрической электромагнитно! волны, продемонстрирована длительная генерация ультрафиолетово ; (УФ) излучения при высокой удельной мощности СВЧ накачки.

Свободно локализованный разряд, создаваемый в пересекамцихс: волновых пучках в верхней атмосфере Земли.можно рассматривать ка:

азотный лазер с дистационной СВЧ накачкой. Проведенные тооретичо-ские и экспериментальный исследования показывают возможность реализации режима усиления спонтанного У® излучения в ионизованной наносекундным СВЧ излучением области на высотах порядка нескольких десятков километров.

Апробация результатов. Основные материалы диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах: международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (Минск, 1931; Суонсн, 1987; Белград,198Э; Пиза,1991), Европейских конференциях по атомной и молекулярной физике а ионизованных газах (Грейфсаальд,1983; Лиссабон,1988; Орлеан,1990), международном симпозиуме УРСИ по модификации ионосферы мощными радиоволнами (Суздаль,1991), международном семинаре по мещному СВЧ излучению а плазме (Суздаль,1990), ^ всесоюзных конференциях по" физике низкотемператуг ой плазмы (Ленинград, 1933; Ташкент, 1387; Минск, 1991), распространению радиол-волн (Горький,1981; Ленинград, 1984), взаимодействию электромагнитного излучения с плазмой (Ташкент, 1335), физике газового разряда (Киеа,1336; Махачкала,1903), всесоюзных совещаниях по высокочастотному разряду в волновых полях (Горький, 1937; Куйбышев, 19ВЭ), специальным вопросам физики ионосферы и распространения радиоволн {Горький, 1909), всесоюзных семинарах ло высокочастотному пробою газоэ (Тарту, 198Э), высокочастотной релятивистской электронике (Новосибирск, 1907), семинарах секций Научного Совета ЭАМ по проблеме "©изика низкотемпературной плазмы" (Москва, 1908; Пенинград, 19Э0).

Диссертация состоит из введения, шей;г.ч глав и заключения.Содержание работы изложено на 300 страницах машинописного текста и 1ролл»стрировано 142 рисунками и 3 таблицами. Список цитируемой читературы включает 432 наименования. Полный объем диссертации -.оставляет 442 страницы.

СОДЕРДАН11Е РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность работы, со структура, формулированы цель исследования, основные научные положения, вносимые на защиту, кратко изложено содержание работы.

Первая глава посвящена описанию экспериментальных установок нетодов диагностики, прим« явшихся для создания и исследования ВЧ разрядов в волновых пучках. Эксперименты проводились на нес-олъких установках, в состав которых входили генераторы на слабо-алятивистских (гиротроны) и релятивистских (карсинотроны) элект-

ронных пучках, преобразователи генерируемой моды в гауссов пучок, фокусирующие элементы (линзы, параболические зеркала), герметичные келари с газовакуумной системой, диагностическая аппаратура.

В л.1.1. рассматривается установка для исследования СВЧ разряда микросекундной.длительности в одиночной и двух пересекающихся волновых пучках, обосновывается ряд достоинств проведения экспериментов а миллиметровом диапазоне электромагнитных волн. В этом диапазоне сравнительно простым способом возможно формирование крутосходящегося или слабосходящегося {с углом сходимости до 0 » 0,1) пучка, обеспечение квазиоптмчаских условий его распространения при небольших размерах установки, получение двух волновых пучков, их пересечение, иэконенкэ угла между их осями 2? в достаточно широком Диапазоне 45е s, гр a S0°, а также возможен переход, от пучков, обладающих полеречно-зпоктрич&ской (ТЕ) поляризацией по отноаон|ла к биссектрисе угла между ними, к поперечно-магнитным (TW) пучкЙ4. Установка позволяла нсспедовать при одинаковых условиях два с -зли ник типа разряда в одиночном и двух пересекающихся волновых лучках: богуйме и локализованные CSM разряды, соответственно,■и сопоставить результаты с теоретическими моделями этих разрядов.

Другой ти>1 свободно локализованного в пространстве разряда, создаваемого полем стоячей электромагнитной волны мм- и см-диапазонов , изучался на установке, описанной в n.l.i, основу которой составляли открытые резонаторы со сферическими зеркалами. Резонансные системы (объемные резонаторы) ешроко использовались для исследования пробойных характеристик газов на сверхвысоких частотах. Кеазноптические резонаторы с высокой добротностью позволяют получать электрические логя сравнительно высокой интенсивности с гюмощь» маломощных СВЧ генераторов (магнетронов) и, таким образом, изучать в импульсном режима пробойные характеристики сильно неоднородного СВЧ поля в широком диапазоне давлений газа, оценить точность развиваемых теоретических моделей, а в непрерывном ревнив позволяют поддерживать сильно неравновесную плазму, управлять ее параметрам» « исследовать объемные кинетические процессы в газоразрядной плазме.

В п.1.3. описаны экспериментальные установки для изучения ионизации газа в сфокусированном волновом пучке мощного СВЧ излучения наносвкундной длительности от генераторов на релятивистск' > электронных пучках. При пробое газа импульсами наносвкундной длительности приходится иметь дело с разрядными явлениями в- сильны) или сворхсильных электромагнитных полях, в которых энергия осцнл-

лпторного движения электронов порядка или много больше энергии ионизации атомов и молекул. Экспериментальные исследования такого разряда до настоящего времени не проводились.

На созданных экспериментальных установках исследовались разряды, формируемые полями электромагнитного излучения наносекунд-ной длительности т = Ю+-200 не, микросокундной длительности г =1 +

и и

+100 мке, в режиме нг ферывного излучения о различных молекулярных (воздух, азот, кислород, аммиак, пары воды, углекислый газ) и атомарных (гелий, аргон) газах в диапазоне давлений от 2 10"3 Тор до атмосферного.

Проблемам диагностики свободно локализованных СВЧ разрядов посвящен п.1.4. Для изучения разрядов использовались различные диагностики низкотемпературной плазмы. Из большого арсенала методов диагностики были выбраны прежде всего беског-актные методы, обладающие необходимым пространственным и временным разрешенном. Определение условий пробоя газа, скорости<нарастания электронной лавины и движения фронта ионизации, величины, достигающейся на фронте электронной концентрации, изучение динамики пробоя, пространственных структур разряда,свойств образующейся разрядной плазмы и скорости ез дсионизации, то есть исследование каждой из перечисленных стадий разряда, имеющих свои характерное время и скорость протекания, проводились несколькими независимыми методами. В экспериментах применялись следующие диагностические методы -фотографические (регистрировались крупномасштабные структуры разрядов);

-скоростной фоторегистрации с использованием приборов на основе электронно-оптических преобразователей, работающих в хронографическом и кадровом режимах (для изучения пространственно-временной эволюции разрядов);

-активной СВЧ-диагностики (резонаторный и интерферометричес-кий) (для измерения электронной концентрации на различных стадиях развития разряда;

-спектроскопические методы, основанные на измерении полуширин линий и их относительной интенсивности, на появлении сателлитов запрещенных переходов (для определения электронной концентрации и электрических полай в плазме, колебательной и поступательной температур газа);

-методы измерения энер| и и абсолютной интенсивности потоков заряженных частиц в разлетающейся разрядной ппазма низкого давления с помощью многоканальных анализаторов электронов и ионов;

-а также целый ряд менее трудоемких методов, которые -пособ-

-Ц

ствовали получению информации о разряде и в которых применяпись калориметрические нагрузки (для измерения СЗЧ мощности), быстродействующие германиевые СВЧ детекторы (для регистрации формы СВЧ импульсов), спектр-анализаторы (для определения допперовского сдвига частоты СВЧ волны при ее отражении от движущегося Фронта ионизации), спектрометры и спектрографы (для изучения оптических спектров излучения плазмы), фотоэлектрические умножители и фотоэлектрические преобразователи (для измерений потоков оптического излучения из разрядной плазкы).

Для исследования разрядов использовалась как серийно выпускаемая диагностическая аппаратура, так и специально разработанная применительно к специфическим условиям экспериментов.

Во второй гпаае ззасскатриаыатся основные физические процессы характерные для начальных стадий развития свободно локализованных СВЧ разрядов, исследуются динамика пробоя газа и формируемые (по завершению этих стаДий) крупномасштабные (по сравнению с длиной электромагнитной го- ш) структуры разрядов, их зависимости от типа пространственной локализации поля. Во второй и последующей за ней главах представлены результаты исследований разрядов, создаваемых СВЧ полем умеренной интенсивности, е котором осциллятс^-чая энергия электронов егЕ2/ 2ю(иг + иг) иного меньше средне* энергии электронов с и потенциала ионизации атомов : с « с < X (где Е- среднеквадратичная напряженность злGктpиs¿¡cкoro поля, и - частота поля м » - частота столкновений электронов).

В п.2.1. кратко сформулированы основные положения теории C8^ пробоя газа, разработанной применительно к ограниченным стенкамк разрядным системам. Затем представляются результаты теоретически) моделей пробоя газа в неоднородных свободно локализованных С8Ч полях, на основании которых проводится ср вноние расчетных и измеренных пороговых (для самостоятельного пробоя) попей Е в волЬ г

новых пучках. Такое сравнение позволяет проиллюстрировать алняниг неоднородности СВЧ поля на пробойные характеристики в эависимост! от плотности газа. Пробойные значения попей Е измерялись в за-

Ь г

висимости от давления газа г разрядных системах с различной геометрией области локализации поля: г фокальной области сходящагоо волнового пучка, 6 обьасти пересечения двух волноьых пучков, I квазиолтнческсм резонаторе при импульсном и непрерывном вкпючени-,ях СВЧ поля.

Динамика пробоя газа в свободно локализованных СВЧ полях к последующих (после зарождения) стадиях, г до становится существен ным влияние образующейся плазкы на поло, рассматривается в л.2.

на примерз разряда а сфокусированном вопнооом пучке. Специфика пробоя газа в волновом пучке была сформулирована в первых, посвященных этому типу СВЧ разряда, теоретических работах.*1^ В волновом пучке СВЧ диапазона становятся существенными злектродинамичо- " ские механизмы остановки электронной лавины, связанные с ослаблением поля пучка в образующейся плазме из-за процессов поглощения и рефракции. В экспег (ментах использовались СВЧ импульсы большой длительности (т^г; Ю-4 с), что позволило выявить ряд важных закономерностей взаимодействия излучения с создаваемой газоразрядной празмой.

Установлены различные типы эволюции начальной стадии разряда в зависимости от параметров ч/а и kL , где к=м/с -волновое число,

п

L О/ i> ' -диффузионная длина потерь электронов (в воздухе v si> '

п п П ft

- частота прилипания электронов). В областях низ'их (f/o « 1) и высоких давлений (v/a > 1) после прохождения волны пробоя (навстречу потоку СВЧ излучения) в фокальной области пучка устанавливалось каазистационарноэ распределение плазмы. Наиболее сложная динамика пробоя газа наблюдалась в области средних давлений, где параметр v]о изменялся в диапазоне 0,1 й. v/u < t и реализовьшался режим повторяющихся аопн ионизации. Толщина фронтов ионизации в гелии была существенно больше, чем а воздухе, что связано с более сильным влиянием рчффузии (увеличением параметра kL ).

г п

Различными диагностическими методами проведены измерения параметров волны пробоя (скорости распространения, величины электронной концентрации и самосогласованного поля на ее фронта). Установлено удовлетворительное согласие дйшых эксперимента с ре-зупьтатами численных расчетов (форма ионизационного фронта, наличие вторичных фронтов ионизации, величина отношения максимальной электронной концентрации на фронте к критической N / М_), сви-

■ а ж С

детельствующее в г,ол «о у правильности заложенных в основу теорети-ческсй модели представлений, согласно которым N в волне пробоя

tax

пропорциональна квадрату угла сходимости волнового пучка. В условиях эксперимента (0 ¡>10"' ) отношение N ж/Nc»« 0,3. Теория, предполагающая N /N « 1 и на учитывающая отличие волнового попя на »пх с

фронте ионизации от невозмущенного попя пучка, дает для сксрости

1,1 См..например, работу: Гильденбург В.Б. Электрода, ¡амические механизмы ограничения электронной концентрации в лазерной искре.-КЭТФ, 1980, Т.78, N3, С.952-955.

волны пробоя величину, почти на порядок меньшую измеренной. Пря- • мыми измерениями электрического поля в плазме обнаружен эффект усиления поля на фронте волны пробоя и показано, что учет этого •усиления (обусловленного отражением электромагнитной волны от фронта) позволяет получить для скорости волны пробоя (в самосогласованном попе) значения, близкие к экспериментальным.

В п.2.3. проведено сравнение формируемых крупномасштабных плазменных структур для разрядов в одиночном пучке, двух пересекающихся пучках и е поле стоячей электромагнитной волны квазиоптического резонатора.Общий характер структур СВЧ разрядов оказался существенно зависящим от давления газа.

В одиночном волноводном п>чке разряд в точение всего времени существования в.]о5п1Гсти низких давлений является "гладким", то есть имеет диффузную форму с кваэиоднородно распределенной во всей фокальной области пучка плазмой. То же самое относится и к разрядам в области'«'средних и высоких давлений до тех пор, пока первоначальный фрон* ио 1зации не приблизится к границе надпро-бойной области пучка. Затем в этих областях давлений дпительноэ взаимодействие СВЧ излучения с образованной плазмой приводит к ее расслоению и образованию мелкомасштабных (по сравнению с длиной электромагнитной волны) структур.

В пересекающихся лучках ТЕ-волн ионизация локализована в пучностях электрического поля (в максимумах интерференционной картины, возникающей в области наложения пучков). Показано, что граница ионизованной области в плоскости, образованной осями пучков , на совпадает с контуром области надпробойного ноля в отсутствие разряда. Плазменные слои сдвинуты вследствие ослабления проходящих через них волн навстречу падающему СВЧ излучению.

В каждом ионизованном слое, образуем- ч пучностью поля, в зависимости от рода газа и давления реализуется, как и при пробое в одиночном пучке, один из следующих трех типов структуры: 1) квазиоднородный (диффузный) разряд в области низких давлений;2) разряд, раздробленный на слои, перпендикулярные, вектору электрического поля Е, в области средних давлений; 3) разряд, раздробленный на нити, параллельные вектору Е, в области высоких давлений. Показано, что оба типа'^дробления возникают на фоне первоначально квазиоднородной плазмы.

Установлено также, что структура разряда зависит и от поп. -ризации поля в пересекающихся пучках. В пучках ТМ-вопн в широком диапазоне исследуемых давлений разряд представляет уединенный плазменный спой, вытянутый вдоль биссектрисы угла между пучками.

а меткая стратификация разряда отсутствует. Такая структура разряда обусловлена отсутствием нулей поля и непостоянством направления вектора Е в области пересечения ТМ-пучков.

Величина электронной концентрации в разрядах, создаваемых ТЕ и ТМ-пучками, также различна, В ТЕ-пучках наибольшая средняя кон- ' центрация электронов в центральном слое зависит от угла пересечения пучков 2í> и близ а к величина N = N •sin1*, определенной

• «* с

для ионизованного слоя, создаваемого двумя плоскими ТЕ-волнами. В ТМ-пучках наибольшая плотность плазмы была близка к критической Nc, то есть выше, чем в ТЕ-пучках.

Неравновесный СВЧ разряд в пересекающихся пучках, позволяющих локализовать плазму в пространстве и управлять ее» параметрами, исследовался (наряду с экспериментальными) в цепом ряде тео-1" ретических работ. В п.2.3 проводится сравнение экспериментальных и теоретических результатов, на основании которого делается вывод о том, что структура и параметры разряда Ь пересекающихся пучках зависит в общем случае от целого ряда факторов: соотношения между коэффициентами рекомбинации и прилипания электронов, длительности импульсов и поляризации СВЧ излучения, угпа пересечения пучков.

В разрядах в одиночном и двух пересекающихся пучках распределение плазмы формировалось во многих случаях в режиме нелинейного ограничения поля, вызванного электродинамическими эффектами, (рефракцией, поглощением, отражением электромагнитных волн). Примером другого типа разряда с точки зрения электродинамики плазмы, является разряд в квазиоптическом резонатора, который также рассматривается в п.2.3. В резонаторе остановка электронной лавины

г

происходит при очень разреженной плазме из-за изменения резонансной частоты и рассогласования его с СВЧ генератором.В непрерывном режиме из-за того, что во многих газах поддерживающее разряд поле много меньше про5=йнсгго, в резонаторе сохраняется плазма с электронной концентрацией много меньше критической. Поэтому разряд в высокодобротном квазиоптическом резонаторе является примером неразновесного разряда в заданном СВЧ поле.

Структура такого разряда, создаваемого в пучностях электрического поля стоячей электромагнитной волны, при нег.рерыенок и импульсном включениях СВЧ поля зависит от давления газа. Наиболее простая диффузная структура разряда, состоящая из -нескольких эллипсоидальной формы ппазюидов, наблюдается в области низких давлений газа. ..

В третьей главе исследуются неустойчивости СВЧ разрядов в волновых пучках, приводящие к дроблению формируемых на нгчапьных

стадиях крупномасштабных разрядных структур на отдельные (мелкомасштабные) плазменные образования с повышенными значениями электронной концентрации. Эти неустойчивости по времени своего развития подразделяются на быстрые ионизационные, проявляющиеся за счет возрастания скорости ионизации при увеличении концентрации электронов, и медленные кинетические, связанные с нагревом и вытеснением газа, с образованием возбужденных частиц и радикалов в разрядной плазме.

В п.3.1 приведены экспериментальные результаты исследований формирования многоплаэмоидного разряда в волновом пучке в области средних давлений г«за в результате дробления вторичных фронтов ионизации, а также стратификации вдоль поля однородной плазмы на слои с последующим рйЬпадом их на мелкомасштабные плазмоиды. Поскольку наблюдаемый многоплазмоидный разряд демонстрирует эволюцию плазмы с развитыми¡возмущениями, отвечающими нелинейным стадиям ионизационных неустойчиеостей, теоретическое исследование которых применительно к pear но. разряду в волновом пучке представляет собой далекую от разрешения задачу, то на основании экспериментальных данных высказывается ряд предположений о возможных физических процессах, приводящих к образованию и поддержанию плазмоидов.

Обнаруженная в волновом пучке стратификация плазмы в направлении вектора электрического поля подробно изучалась в разряде в пересекающихся пучках ТЕ-волн, результаты этих исследований представляются в п.3.2. Четкая пространственная локализация плазмы и отсутствие движущихся фронтов иотиации в этом разряде позволили получить результаты, касающиася пространственно-временных масштабов и условий возникновения стратификации первоначально однородной плазмы в воздухе и неэлектроотрицагельных газах при разных (лрилипательном и рекомбинационном) механ>'1мах потерь электронов. Наблюдаемое расслоение разрядной плазмы объясняется развитием плазменно-резонансной ионизационной неустойчивости.*'2 Этот вывод делается на основании сравнения полученных эксперимантальных результатов (исследования динамики дробления, измерения характерных масштабов и времен стратификации в зависимости от плотности и сорта газа, уровня СВЧ мощности, измерения электронной концентра-

с

*)2Теория плазменно-резонансной неустойчивости развита в работе: Гильденбург В.Б., Ким A.B. Ионизационные неустойчивости электромагнитной ВОЛНЫ. - ИЭТФ, 1978, Т.74. N1, с.141-147.

ции до и .после расслоения, пороговых давлений газа) с данными

теоретической модели неустойчивости. Физический механизм этой

неустойчивости обусловлен ппазменно-ре-зонзнсным усилением поля: в

прозрачной плазме (И < N ) при увеличении электронной концентра' в с

ции N в тонком слое, перпендикулярном полю,плазменная частота и

• р

приближается к частоте поля и и амплитуда в слое возрастает, что ведет к росту частот! ионизации и дальнейшему увеличению Н^. Для возникновения неустойчивости требуется, чтобы характерный поперечный размер области ионизации превышал длину СВЧ волны, а концентрация электронов- пороговый уровень: N < N < N .Именно при

4 9 с

выполнении последнего условия в эксперименте наблюдается переход от сплошного диффузного разряда к расслоенному.

Анализ, проведенный в п.3.2.3., показывает, что в электроот- • рицательном газе наличие отрицательных ионов привс \ит к изменению характеристик ллазменно-резонансной неустойчивости. Найдено, что масштабы расслоения плазмы и время развитый неустойчивости возрастают по сравнению с соответствующими вепичинами, полученными из модели без учета отрицательных ионов.В трехкомпоиентной разрядной плазме (с отрицательными ионами) увеличивается скорость диффузии электронов по сравнению с двухкомпоненгной плазмой, снижается стационарная частота ионизации по сравнению с пробойной, за счет процесса отлипания электронов от отрицательных ионов, возникает процесс взаимной нейтрализации отрицательных и положительных ионов. Для разряда в воздухе учет отрицательных ионов приводит к более хорошему согласию расчетных результатов с экспериментом.

При переходе в область высоких давлений ("/о > 1) мелкомасштабная структура разряда (в одиночном и двух пересекающихся пучках) претерпевает существенные изменения и характеризуется регулярно расположенными тонкими (в масштабах длины волны) нитевидными плазменными образованиями, вытянутыми вдоль вектора электрического поля. Результаты исследований образования этой структуры (динамики формирования ритей, времени дробления и масштабов расслоения первоначально однородной плазмы, величины электронной концентрации и температуры газа в нитях) приводятся в п.3.3. Образование нитевидной структуры объясняется развитием в разрядной плазме ионизационио-лерегревной неустойчивости, обусловленной ростом скорости ионизации при нагреве и тепловом расшир чии нейтрального газа. Волновая спец £ика в отличие от статических разрядов проявляется в том, что возникает дополнительный масштаб (длина волны *), влияющий на характерные масштабы неустойчивости. В результате расстояние между нитями Л при достаточно ысоких

давлениях Л « X. В п.3.3 исследуется также сложная эволюция мелкомасштабной структуры на нелинейной стадии развития ионизацион-но-перегревной неустойчивости. После зарождения плазменная нить, как предсказывают проведенные ранее теоретические исследования и подтверждают первые экспериментальные результаты,*13 является нестационарным объектом с взрывным возрастанием параметров плазмы. в проведенном эксперименте прослежена динамика уединенной плазменной нити и установлено ограничение роста электронной концентрации в ней на уровне, свидетельствую-ем об уменьшении поля в плазме на нелинейной стадии иониэационно-лерегревной неустойчивости. Установлено также, что после появления нитей в разряде проявляется эффект усиления поля молкомасытабных плазменных образованиях, который .^иоодит к удлинению плазменных нитей (появление стримеров). В результате разряд приобретает "ветвящуюся" структуру.

В следующих двух параграфах (п.3.4 и п.З 5) рассматриваются кинетические неустойчиво ти, связанные с образованием возбужденных частиц и радикалов в плазме разряда, поддерживаемого непрерывным СВЧ излучением в квазиоптическом резонаторе. Одна из таких неустойчивостей- прилипательная неустойчивость разряда о электроотрицательных ,азах, хорошо известная в тлеющем разряде, исследуется для случая волновых попей с п.З.4. Установлено, что эта неустойчивость приводит в системе плазма-резо.,атор к возникновению автоколебаний амплитуды поддерживающего разряд высокочастотного поля с периодом от единиц до сотен микросекунд. Возникновение автоколебаний, существующих в ограниченном диапазоне давлений газа и вводимой в резонатор СБЧ мощности, не сопровождается нарушением пространственной структуры разряда (появлением слоев или страт) в отличие от разрядов постоянн' го тока.Полученные экспериментальные результаты (пороговые давления р, величины электронной концентрации и поддерживающего разряд поля Е на пороге возникновения автоколебаний, форма и период колебаний, их изменение с ростом давления газа и СВЧ мощности) сравниваются с данными расчетной модели. Проведенный анализ показывает, что неустойчивость определяется объомкьн-... кинетическими процессами и наблюда-

»I 3

См.работу: Аветисое В.Г..Грицинин С.И.,Ким A.B.,Коссый H.A. и •др. Ионизационный коллапс высокочастотной плазменной нити в плотном газе. - Письма в ЖЗТ®, 1990, т.51, Н6, с.306-309.

ется в областях параметров (Е,р) и констант кинетических реакций, при которых баланс процессов прилипания и отлипания обеспечивает выполнение в стационарном состоянии условия ^ < а отношение концентраций отрицательных ионов и электронов (п = Н_/ Н^) находится в диапазоне 0,1 * 17 ± ю. В случае значительного преоблада- ' ния какого-либо из этих процессов разряд является устойчивым.

8 п.3.5 исследуе ся другая кинетическая неустойчивость, приводящая к потере устойчивости диффузного разряда в области средних давлений электроотрицательных газов и переходу его в контра-гированную форму, отличающуюся величиной плотности плазмы, поддерживающего поля и характерного размера локализации плазмы. Анализ полученных результатов (пороговых давлений, концентрации электронов и температуры газа в диффузной и контрагированных формах, их * зависимость от давления газа и уровня СВЧ мощности) проводятся на основе развитой теоретической модели. Показано, что формирование плазмоидной структуры (сжатие диффузного * разряда) происходит в результате развития отлипательной неустойчивости. В непрерывном СВЧ разряде накопление значительной плотности отрицательных ионов (П > 1) и возбужденных (активных) частиц, достигающееся при превышении пороговой концентрации электронов М , приводит к Тому, что отлипание электронов становится преобладающим процессом их нелинейного рождения при сравнитепьно низких давлениях газа (порядка нескольких единиц Тор).Сжатию разряда способствует нелинейная диффузия электронов с эффективным коэффициентом, уменьшающимся с ростом электронной плотности (с уменьшением параметра п).

Четвертая глава посвящена исследованиям импульсно-периодиче-ского и непрерывного режимов поддержания неравновесных СВЧ разрядов в волновых пучках в молекулярных газчх. Поддержание самостоятельных СВЧ разрядов осуществляется при высоких значениях приведенного электрического поля Е/М в условиях (отличающих его от тлеющего разряда), когда значительная доля энергии электронов тратится на диссоциацию и возбуждение электронных уровней молекул, поэтому эти исследования направлены, прежде всего, на изучение основных кинетических процессов, протекающих на стадии горения разряда и определяющих величины полей поддержания разрядов в различных режимах.

В п.4.1 приводятся результаты исследования нагре-1 азота и »оздуха в импульсном СВЧ ра >яде, создаваемом полем двух пересе-<акхцмхся пучков ТЕ-вопн, а также обсуждеются возможные механизмы нагрева газа в условиях эксперимента. В области средних давлений •аза в разряде микросекундной длительности ( т^г 55 икс) т мпера-

тура газа примерно удваивается и но монет заметно изменить скорости элементарных процессов в распадающейся плазме. Однако, как показывается в п..4.2,сохраняющееся после СВЧ импульса возбуждение колебательных и электронных состояний молекул, наличие радикалов существенно влияют на скорость деионизации плазмы.

В л.4.2 рассматривается распад воздушной плазмы после окончания СВЧ импульса, а также излагается метод измерений скорости распада плазмы на больших временах с помощью коротких ионизующих импульсов и приводятся полученные этим методом результаты. Установлено, что распад плазмы импульсного разряда в области средних давлений воздуха нггит рокомбинационный характер (аналогичный результат при меньших.энарговкладчх получен ранее для тлеющего раз-ц! '

ряда ' ). В этом же"? параграфо анализируется упрощенная система уравнений баланса заряженных частиц разрядной плазмы и приводятся результаты ее численного расчета. На основании сравнения экспериментальных и расчетных данных показывается ваиная роль отлипания электронов от отриц тел,, пых ионов кислорода при столкновении с атомами и электронно-возбужденными молекулами.

После этих экспериментов важных для анализа многоимпульсного разряда, е п.4.3 изучается ммлульсного-лериодический режим поддержания СВЧ разряда в Пересекаязщихся пучках.Установлено, что величина пробойного поля, начиная с некоторой пороговой частоты повторения импульсов Я, уменьшается с ростом Я. На основе аналитического решения системы уравнений баланса заряженных частиц в распадающейся плазме, учитывающей процессы прилипания, отлипания, электрон-ионной и ион-ионной рекомбинации и релаксации активных (для процесса отлипания) частиц, показано, что снижение пробойного поля с увеличением частоты повторения мнпупьсов связано с наличием электронной концентрации, остающ'-'юя от предыдущего им-лульса благодаря медленному рокомбинацнонному распаду плазмы меяду импульсами. С этим же связывается и снятие статистического разброса момента замнгання разряда (эффект "памяти" разряда) в области средних давпений воздуха.

Результаты исследований непрерывного режима поддержания СВЧ разряда в открытом резонаторе в широком диапазоне давлений мопе-

« I 4

' См.работу: Напартович А.П.,Наумов В.Г.,Шашкин В.М. О распаде плазмы тлеющего разряда в постоянном электрическом попе.-Физика плазмы, 1975, T.1, N5, C.821-Ö29.

куляриых газов представляются в п.4.4. Установлено, что для поддержания такого разряда 'требуются поля существенно нижа пробойных. На основе анализа уравнений электрон-ионной кинотики и учета диффузионных потерь показано, что снижение полей поддержания по сравнению с пробойными (в электроотрицательных газах) обусловлено в области низких давлений сменой механизма диффузии со свободной на амбилолярную, а пр. более высоких давлениях уменьшением объемных потерь электронов за счет их отлипания от отрицательных ионов и увеличением частоты ионизации за счет нагрева газа. Показано также, что зависимость напряженности электрического поля, необходимого для поддержания разряда в электроотрицательных газах, от концентрации электронов имеет минимум, глубина и положение которого определяются величинами коэффициентов преобладающих в процессе отлипания электронов реакций.

Для многих практических применений разряда в одиночном волновом пучке, в отличие от рассмотренных в' предыдущих параграфах покализованных разрядов, кроме исследования кинетических процессов важным является изучение влияния сложной динамики разряда на пространственное распределение энерговклада в газовую среду. В п.4.5 этот вопрос анализируется на основе результатов измерений скорости распада плазмы, колебательной и газовых температур в различных сечения* волнового пучка. Установлено, что основной энерговклад осуществляется при распространении в волновом пучке первого фронта ионизации.

О пятой главе исследуется разряд в волновом пучке, создаваемый в газе интенсивным СВЧ излучением Наносекундной длительности . В поле мощных СВЧ импульсов энергия осцилляторного движения электронов больше или порядка потенциала ионизации атомов: .

3 этих условиях развитие разряда (как экспериментально установлено) сопровождается целым рядом эффектов, но наблюдающихся при пробое газа в полях умеренной интенсивности, где £-« с « и га-: зоразрядные явления в которых рассматривались в предыдущих гла-sax. Некоторые эффекты связаны с высокой скоростью ионизации ато-■юв и молекул электронным ударом и малой наносекундной длительностью импульса. Другие эффекты проявляются за счет больших энер--ий электронов. В главе анализируются эти новые эффекты.

На основании разработанных теорий СВЧ пробоя ran в л.5.1 доводится сравнение процесс ¿в ионизации в слабых и сильных по-1ях. В сильном пола ионизация газа осуществляется непосредственно >сциллирующими электронами и вид функции распределения электронов

(ФРЭ), как: показано, в теоретических работах,^определяется ионизационными процессами.Найденная в этих работах ФРЭ позволяет провести расчеты частоты ионизации в сильных полях.

В л.5.2 приводятся результаты измерений частоты ионизации е малоизученной области сильных электрических полей Е=10-120 кВ/см, осцилляторная энергия электронов в которой изменяется от 1 до 3,5-10* эВ при варьировании давления газа. При низкой плотности газа (с/ы < 1) в области сильных полей зарегистрировано насыщение зависимости р от амплитуды СВЧ поля. Результаты измерений р сравниваются с данными расчетов, выполненными в целом ряде теоретических работ.

Анализ проведенный в п.5.3 показывает, что наблюдаемое изменение кинематики'¡.волцы пробоя в волновом пучке связано с высокой скоростью ионизации. В сильных полях на динамику пробоя начинает оказывать влияние конечное время распространения электромагнитного излучения через фокальную область пучка.

В экспериментах ог санных в п.5.4, исследуются структурь наносекундного СВЧ разряда. В области низких давлений газа установлено несовпадение пространственных распределений светимост» плазмы и электронной концентрации в неоднородном СВЧ попе волнового пучка, чю связано с различным характером зависимости сечений ионизации и возбуждения электронных уровней молекул от энергии электронов в области с = 20-100 эВ (сечение v.oнизaции растет, а сечение возбуждения уменьшается с ростом энергии). В облает! средних давлений газа благодаря высокой скорости ионизации наблюдается многоплазмоидная структура, объясняющаяся дискретносты первичных очагов пробоя, образуемых вокруг каждого затравочноп электрона и не успевающих слиться между собой из-за малой дли тельности импульса. Показано, что развит' е разряда на отдельны: первичных электронах может наблюдаться только в сильном СВЧ поле Путем сопоставления структур, формируемых СВЧ излучением линейно и круговой поляризаций,показывается, что в области высоких давле ний (1>/и »1) вытягивание плазмоидов вдоль вектора электрическог поля может быть связано с эффектом усиления нормальной компонент поля.

»> 5

Функция распределения электронов в сильном СВЧ поле впервы анализировалась е работе: Аруткнян С.Г.,Рухадзе A.A.K теории про боя газов электромагнитными полями большой амплитуды. - Физик плазмы, 1973, т.5, N3, с.702-704.

В п.5.5 приводятся результаты экспериментов, демонстрирующих эффекты, связанные с большими поступательными энергиями электронов. Эти эффекты возникают в разреженном газе (1>/и « 1) в сверхсильных СВЧ полях (Е =70+ 120 кВ/сн), в которых е.. » (€„•- 1,2* +3,5 кэВ). Для локализации пробоя применялся импульсный напуск газа в фокальную область пучка.

3 сверхсипьном ппе установлено существование нижней границы области пробоя газа по давлению не зависящей от амплитуды поля. Величина порогового давления в эксперименте определялась характерным масштабом неоднородности поля. Кроме того, обнаружено развитие электронной лавины при достаточно высоком уровне предварительной ионизации газа в условиях, когда длина свободного пробега электронов существенно превышала размер локализации поля.

В плазме, образующейся в результате пробоя ггча в сверхсильных полях, после выключения поля » течение некоторого времени имеются электроны с энергией, существенней превышающей потенциал ионизации. Основная масса этих электронов теряет энергию главным образом в результате ионизующих столкновений. Поэтому после выключения сильного поля зарегистрирован заметный рост плотности плазмы (до величины в 5 ♦ 10 раз превышающей критическую для частоты СВЧ излучения) благодаря продолжающемуся процессу ионизации. Для сравнения замотим, что в плазме разряда в слабом поле электроны теряют энергию, в основном, в результате возбуждения атомов и молекул, так как при типичных для такого разряда электронных температурах частота возбуждения существенно превышает частоту ионизации.Поэтому,после выключения слабого поля,электроны остынут быстрее, чем произведут заметную дополнительную ионизацию газа.

После выключения сверхсильного поля за стадией дополнительной ионизации наблюдается медленный распад плазмы благодаря длительной релаксации энергии электронов в области с 1 +10 эВ. Основными процессами определяющими такую высокую температуру элект-г ронов после СВЧ импульса могут являться: передача энергии электронам при их столкновениях с электронно-возбужденными метаста-бильными молекулами азота и электрон-электронные столкновения. Эти процессы существенны из-за высокой степени возбуждения молекул и ионизации газа, поскольку основная доля СВЧ энергии, поглощенной разрядом, идет на ионизацию и возбуждение г"ектронных уровней молекул.

СВЧ разряд в сверхсильном поле также характеризуется появлением ускоренных ионов с энергией.существенно превышающей осцилля-торную энергию электронов. В экспериментах с импульсным и пуском

газа в фокальную область волнового пучка установлено, что при осцилляторной энергии электронов порядка 3 кэВ существует лоток ионов с энергией до 20 кэВ. Эффект ускорения обусловлен, по-видимому, коллективными процессами, развивающимися на фронте разлетающейся плотной плазмы в вакуум.

Шестая глава посвящена исследованиям применения наносекунд-ных СВЧ разрядов в волновых лучках для возбуждения ультрафиолетовых газовых лазеров. Привлекательными особенностями СВЧ накачки являются технологичность транспортировки СВЧ энергии и ее ввода в лазерное устройство, эффективность поглощения электромагнитной энергии в плазме ралряда, отсутствие неустойчивостей плазмы, инициируемых, электродами в электрс^азрядных лазерах, длительное сохранение чистоты ¡.лазерной смеси из-за отсутствия электродов, простота создания протяженного однородного разряда, достижение высоких удельных мощностей накачки ( 10® ♦ 107 Вт/см3 ), избирательность вложения энергии электронов во внутренние степени свободы молекул.Эти особенно^ги ¿34 накачки обсуждаются в п.6.1, где также анализируются известные конструкции лазеров.

Вывод энергии из современных СВЧ генераторов (гиротронов, карсинотронов) осуществляется волновым пучком, поэтому они позволяют перейти О! волноводных СВЧ элементов, используемых в лазерах с СВЧ накачкой в последнее время, к безэлектродным СВЧ системам. В л.6.2 - описывается конструкция лазера, возбуждаемого свободно локализованным СВЧ разрядом, создаваемым в свою очередь полем сходящейся цилиндрической электромагнитной волны. Для азотного и ХеС£-лазеров изучаются возможности предложенной конструкции. В азоте при давлениях р = 10 + 100 Тор получена генерация (на переходах 2*-системы, X = 337,1 нм) мощностью 70 кВт и длительностью, равной длительности СВЧ накачки (г а 30 :). Эффективность нака-

о

чки (определяемая, как отношение мощности лазерной генерации к мощности СВЧ накачки) составляла Ю^-ИО-* , а удельный энергосъем - (0,5* 1) дж/атм-л. Показано, что ограничение на энергию лазерного излучения возникает из-за неполного поглощения падающей СВЧ мощности.Тем но менее, проведенные эксперименты демонстрируют основное достоинство СВЧ накачки, а именно сочетание высокой удельной мощности накачки с длительной устойчивостью разридной плазмы.

Другим типом СВЧ разряда, перспективным для накачки лазеров, является разряд в пересекающихся волновых пучках. Этот разря;., позволяющий получать локализованные в пространстве плазменные образования, широко обсуждается для создания искусственной-ионизованной области (ИИО) в атмосфере Земли. В п.6.3 рассматривается

возможность получения стимулированного УФ излучения от ИИО, создаваемой в верхнь'й атмосфере наносекундным СВЧ излучением трехсантиметрового диапазона.*'приводятся также результаты эксперимента, демонстрирующего реализацию такого режима при создании свободно локализованного СВЧ разряда в атмосферном воздухе.

СПИССЧ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Вихарев А.Л., Еремин'Б.Г. СВЧ разряд в квазиоптическом резонаторе. - ЯЭТФ, 1975, Т.6В, N2, С.452-455.

2. Вихарев А.Л..Гильденбург В.5..Литвак А.Г.,Семенов В.Е.Плазменные образования, создаваемые пучками эпектромагнитнных волн. - Б кн.: 13-я Всес. конф. по распространению радиоволн: Тез.* докл. М.: Наука, 1981, ч.1, с.119-122.

3. Вихарев А.Л.,Гильденбург В.5.,Иванов О.А.«Степанов А.^Экспериментальное исследование разряда в ' пересекающихся пучках электромагнитных волн. - Там же, с.122-124.

4. Vikharev A.L., Gildenburg V.B., Ivanov О.А., Stepanov A.N. High-frequency discharge in crossed electromagnetic wave beams. - Proc. 15 th Intern, conf. on phenomena in ionized gases. Minsk, USSR, 1981, p.779-780.

5. Вихарев А.П., Иванов О.А., Семенов B.E., Степанов А.Н. Стационарный СВЧ разряд в квазиоптическом резонаторе.-Изв. вузов -Радиофизика, 1982, V.25, N4, с.385-390.

6. Вихарев А.Л.,Иванов О.А..Семенов В.Е..Степанов А.Н.СВЧ разряд в пересекающихся волновых пучках.-В tin.:6-я Всес.конф. по физике низкотемпературной плазмы:Тез.докл.Л.:ЛГУ,1983,т.1,с.305

7. Вихарев А.Л.,Гильденбург В.Б.,Иванов О.А..Степанов А.Н. СВЧ разряд в пересекающихся пучках электромагнитных волн.- Физика плазмы, 1984, т.10, N1, с.165-168.

8. Вихарев А.Л., Иванов О.А., Степанов А.Н. О распаде плазмы имт пупьсного СВЧ разряда в пересекающихся вопновых пучках. -Физика ппазмы, 1984, т.10, N4, с.792-800.

3. Вихарев А.Л., Иванов О.А., Степанов А.Н. Применение коротких ионизующих СВЧ импульсов для изучения распада плазмы. - ЖТФ, 1984, т.54, N8, с. 1617-1.619 .

*'^Генерация стимулированного УФ излучения бегущим фронтом ионизации при СВЧ пробое газа в верхней атмосфере анапизируется в- работе: Борисов Н.Д.,Гуревич А.В.-Физика плазмы, 1991, т.17, с.1131

10. Вихарев А.Л..Иванов О.А..Степанов А.Н.О поддержании ионизаци с помощью многократного импульсного СВЧ пробоя в пересекающи

. . хся волновых пучках.-Препринт НПФ АН 1198, Горький, 1984, 17с

11. Вихарев A.J1..Иванов О.А..Степанов А,Н. Ионизованный. слой пересекающихся пучках ТМ-волн.- В кн.:14-я Всес.конф. по рас пространению радиоволн: Тез.докл.М.:Наука,1984,т.1,с.148-149

12. Вихароа А.П.,Иванов О.А..Степанов А.Н. Многократный импульс ный СВЧ пробой q пересекокицихся волновых пучках.- Изв.вузов. Радиофизика, 1985, т.28, Ml, с.36-4".

13. Вихарев А.Л.,Иванов О.А..Кузнецов О.Ю..Степанов А.Н. О под держании непре^*чвного СВЧ разряда в электроотрицательных га зах. - Препринт ИПФ АН СССР, N127, Горький, 1Э85, 15с.

14. Вихарев А.Л.'4Гил&денбург В.Б.,Денисов В.П. и др. Пробой гел* высокочастотными импульсами наносекундной длительности. -кн.:4-я Всес.кфчф. по взаимодействию электромагнитных изл> чений с плазмой'^' Тез.докл. Ташкент: ©АН, 1985, с.102-103.

15. Вихарев А.О.,Гиг де. ург В.Б.,Иванов О.А. и др. Пробой газе высокочастотным импульсом наносекундной длительности.- Физик плазмы, 1986, Т.12, N12, с.1503-1507.

16. Vikharev A.L.,Ivanov O.A.,Ivanova L.S..Kuznetsov О.Yu..Steps nov A.M. Layer less kinetic instability of a itiicrowave dischaf ge in electronegative gases.-Proc.Sth European conf.on atomi and molecular physics of ionized gases. Greitswald, GQR,p.3(

17. Vikharev A.L.,Ivanov O.A..Stepanov A.N.Ionization instabilil of the discharge in the intersecting boaras of the waves. Ibid., Р.ЗЗО-ЗЭ1.

18. Вихарев А.Л.,Гильден&ург В.Б..Иванов O.A..Семенов Б.Е.,Стап< нов А.Н. Мелкомасштабное дробление плазмы СВЧ разряда в пер! секающихся волновых пучках при cpeflHf давлениях.- Изв. вузе - Радиофизика, 1S87, т.30, N2, с.317-324.

19. Вихарев А.Л.,Иванов О.А..Кузнецов 0.И..Степанов А.Н. Кинет! чвекие неустойчивости свободно локализованного СВЧ разряда молекулярных газах.- Доклады АН СССР,1987,т.235,N2,с.350-36'

20. Вихарев А.Л.,Гитлин И.С.,Иванов О.А. и др. Нагрев азота в и> пупьсном СВЧ разряде в условиях интенсивного возбуждения эге ктронных уровней молекул.-Письма в ЖТ®,1387,т.13,N4,с.223-2;

21. Вихарев А.Л..Иванов О.А.«Кузнецов О.Ю..Степанов А.Н.О подде| жании непрерывного СВЧ разряда в электроотрицательных газах Физика плазмы, 1987, т.13, N9, с.1124-1130.

22. Vikharev A.L.,Git1in H.S.,Ivanov O.A. et al.Heating of nitn gen in a pulsed microwave discharge under strong excitatii

of electron li els.- Proc. 18th Intern, conf. on phenomena in ionized gases. Swansea, UK, 1987, p.4C-47.

23. Vikharev A.L.,Gildenburg V.B.,Ivanov O.A. «t al. Study of gas ionization in a nanosecond microwave pulse.- ibid.,p.106-107.

24. Вихарев А.Л., Иванов O.A., Степанов A.H. Волна пробоя в само- . согласованном высокочастотном поле в гелии. - Физика плазмы, 1988, Т.14. N1, С.53-59.

25. Bn-vjpee А. Л., Гипьденбург в.Б., Голубев С.В. и др. Нелинейная динамика свободно локализованного СВЧ разряда в пучке электромагнитных волн. - ЖЭТФ, 19В8, т.94, N4, с.136-145.

26. Бердышсв А.В., Вих'->ев А.П., Гитлин И.С. и др. Нагрев молекулярного газа в импульсном СВЧ-разряде. - Теплофизика высоких температур, 1988, т.26, N4, с.661-666.

27. Вихарев А.Л.,Гильденбууг В.Б.Ким А.8.,Литвак А.Г.,Семенов В.Е Электродинамика неравновесного высокочастотного разряда в волновых полях.- В кн.:Высокочастотный разряд в волновых попях. Горький: НПФ АН СССР, 1988, с.41-135.

28. Вихарев А.Л.,Иванов О.А..Степанов А.Н. Наносекундный СВЧ разряд в газе.- В кн.: Высокочастотный разря. в волновых полях. Горький: ИПФ АН СССР, 1988, с.212-229.

29. Вихарев А.Л.,Иванов О.А..Кузнецов О.Ю..Степанов А.Н. Контракция свободно локализованного СВЧ разряда в молекулярных газах.- В кн.:4-я Всес. конф. по физике газового разряда. Махачкала: ДГУ, 1 --88, ч.1, с.80-81.

30. Vikharev A.L., Ivanov О.А., Kuznetsov O.Yu., Stepanov A.N. Contraction of a free-localized microwave discharge. - Proc. 9th European conf. on atomic and molecular physics of ionized gases. Lisbon, Portugal, 1988, p.213-214.

31. Vikharev A.L., Ivanov O.A., Stepanov A.N. Propagation of a low-pressure microwave discharge in the self-consistent field of the wave beam. - Ibid., p.215-216.

¿2. Вихарев А.Л.,Иванов O.A..Иванова Л.С..Кузнецов 0.И..Степанов А.Н.Прилипательная неустойчивость свободно локализованного СВЧ разряда в открытом резонаторе-ЯТФ.1989,т.59.N1,с.40-49

33. Бабин А.А., Вихарев А.П., Гмнцбург В.А. и др. Азотный лазер, возбуждаемый свободно локализованным СВЧ разрядом. - Письма в ЖТФ, 1989, Т.15, NR, с.31-33.

34. Babin A.A..Vikharev A.L.,Gintsburg V.A.et al.A nitrogen laser pumped by a freeiy localized microwave discharge.- Proc. 19th Intern, conf. on plenomena in ionized gases. Belgrade, Yugoslavia. 1989, p.832-633.

35. Богатое Н. А. .Брижинев И.П., -.ихарев А.П. и др.Наносекундный СВЧ разряд в газе высокого давления.- В кн.:Всес.семинар по высокочастотному гробом газов:Тез.докл.Тарту: ТГУ, 1989, с.59-61.

36. Брижинев М.П..Вихарев А.Л..Голубятников Г.Ю. и др. Ионизация газа низкого давлен, я в сверхсильном СВЧ попе: - ж.ГФ, 199С, Т.98, N2, С.434-445.

37. Вихарев А.П., Иванов О.А., Ким А.В. Газовые лазеры с накач, й СВЧ излучением. - В кн.: Релятивистская высокочастотная электроника. Горький: НПФ АН -JCCP, 1990, вып.6 с.266-296.

38. Vikharev A. L.',Gol ubyatnikov G.Yu., Eremin B.G. et al.Gac ionization in a euperstrong microwave field.- Proc. 10th European

conf. on atomic and molecular physics of ionized guses. »

Orleans, France,Vl 990, p.MO-141.

39. Vikharov A.L., Golubyatnikov G.Yu., Ivanov O.A. et al. Plasma de^ay in nitrogp.n-oxygen mixtures after nanosecond microwave puise. - Ibid ./-'p. 266-267 .

40. Вихарев А.Л.,Голубев С.В.,Еремин Б.Г. и др. Свободно локализованный СВЧ разряд в спабосходящемся волновом пучке.- В кн.: Радиофизика, М.: МРТИ АН СССР, 1991, с.93-1ГЧ.

41. Вихарев А.П., Горбачее A.M.., Кузнецов О.Ю. Ионизационно-поле-вая неустойч. .вость трехкомпонентной плазмы высокочастотного разряда. - Физика плазмы, 1991, т.17, N4, с.497-503.

42. Вихарев А.П.,Кузнецов О.Ю. Модель контракции свободно локализованного СВЧ разряда в электроотрицательном газе. - Преприт ИПФ АН СССР N294. Н.Новгород, 1991. 20с.

43. Вихарев А.Л.,Литвак А.Г. Моделирование создания искусственное ионизованной области з верхней атмосфере СВЧ импульсами нано-секундной длительности. - Труды 3-го Суздальского симпозиум« УРСИ по модификации ионосферы мощными радиоволнами,М.:ИЗМИРА1 1991, с.70-74.

44. Vikharev A.L., Ivanov О.А., Kim A.V., Litvak A.G. Ultraviolet radiation of artificial ionized layer in the upper atmosphere. - Proc. 20th Intern, conf. on phenomena in ionizei gases. Piea, Italy, 1991, p.40-46.

45. Вихарев А.Л., Горбачев A.M., Колыско А.Л. Самостоятельный CB' разряд в газе высокого адвления. - J кн.: 8-я Всес. конф. л< физике низкотемпературной плазмы: Тез. докл. Минск: ИТМ0 А! БССР, 1991, 4.2, р.45-46.

46. Вихарев А.Л., Иванов О.А., Степанов А.Н. Газовый УФ-лазер накачкой СВЧ излучением.-А.с.1597067 (СССР), кл.Н 01 S 3/097 заявка N4458473 от 11.07.83г.